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OSUG - Terre Univers Environnement OSUG

Variabilité régionale de la densification de la neige polaire lors des grandes transitions climatiques

par LIBOIS Quentin - 27 octobre 2014 - ( maj : 26 mars 2015 )

Camille BREANT

Date de début et de fin : octobre 2014 - septembre 2017

Financement : Bourse CEA

Directeurs : Amaëlle LANDAIS (LSCE) et Patricia MARTINERIE

Résumé :

Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère lors des grandes transitions climatiques passées est estimé grâce aux mesures effectuées dans les carottes de glace polaires. Il est encore mal contraint et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de mieux comprendre le processus mécanique de transformation de neige en glace sur les 100 mètres supérieurs de la calotte de glace (le névé). Un modèle thermo-mécanique de densification de la neige a été conçu et développé au LGGE en intégrant la formulation des processus mécaniques, des propriétés thermiques, et des critères de piégeage des gaz. Les performances de ce modèle peuvent être testées et améliorées grâce à différentes études de structure de névés actuels (densité, rapport porosité ouverte/fermée, ...). Pour les périodes plus anciennes, des mesures d’isotopes des gaz inertes dans l’air piégé dans les carottes de glace polaire permettent d’obtenir des informations directes sur les variations passées de la structure du névé (e.g. épaisseur de zone diffusive). Les larges divergences observées en Antarctique entre les sorties de modèle de densification et les mesures isotopiques de gaz piégé dans la glace génèrent une grande incertitude sur les reconstructions climatiques passées et comprendre ce désaccord est un défi majeur de la paléoclimatologie actuelle. Afin de progresser sur cette question, plusieurs aspects seront explorés dans cette thèse. D’abord, en se basant sur de nouvelles mesures de caractéristiques structurelles du névé, la description mécanique du modèle de densification sera améliorée. Ensuite, deux profils à très haute résolution d’isotopes de l’air piégé dans la glace couvrant une déglaciation récente seront effectués sur deux sites de caractéristiques (température, accumulation, ...) très différentes. Enfin, la validité des différentes estimations d’épaisseur du névé pourra être testée via la détermination très précise de marqueurs d’âge dans l’air piégé dans la glace, comme les nouvelles mesures continues de méthane. Une méthode récemment développée de déconvolution de l’effet de lissage dû au piégeage progressif des gaz sera aussi utilisée pour contraindre au mieux la comparaison entre sites de caractéristiques différentes.

Abstract :

The phasing between increases in temperature and greenhouse gas concentrations during large climatic variations in the past is classically estimated using analyses in polar ice cores. It is still badly constrained. Solving this problem requires to better understand the mechanical process of snow to ice metamorphism over the top 100 m of the ice sheet (i.e. the firn). A thermo-mechanical model of snow densification has been developed at LGGE, it includes the main mechanical processes, the thermal properties of ice, and gas trapping criteria. The model performances can be tested and improved using experimental studies of modern firns (density, open/closed porosity ratio, etc). For firnification under ancient climates, measurements of isotopes of inert gases in the air trapped in ice cores provide direct informations about past variations of firn structure (e.g. diffusive zone thickness). Large differences between firn densification model outputs and gas isotopic data are obtained in Antarctica, and imply a large uncertainty on past climatic reconstructions. Understanding this discrepancy is a major issue in paleoclimatology. Several ways to tackle this problem will be explored in this thesis. First, using new measurements of structural properties of firn, the description of mechanical processes in the model will be improved. Then, two very high resolution profiles of air isotopes in ice cores covering a recent deglaciation will be measured for two sites undergoing very different climatic charateristics (temperature, accumulation, etc.). Finally, the validity of the firn thickness estimates will be tested against precise age markers of the air trapped in the ice such as the new continuous measurements of methane in ice cores. A recently developed method for deconvoluting the smoothing effect of progressive gas trapping will also be used to better constrain the comparison between sites with different characteristics.

Mots clef : densification - névé - modèle thermo-dynamique - isotopes - Antarctique // densification - firn - thermo-mechanical model - isotopes - Antarctic

Sous la tutelle de :

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